doctorat _ mod+®lisation du s+®chage solaire des boues r+®siduaires urbaines_amadou_haoua_2007

7/25/2019 Doctorat _ Mod+lisation du s+chage solaire des boues r+siduaires urbaines_AMADOU_Haoua_2007

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COLE DOCTORALE MSII Mathmatiques, Sciences de l'Information et de l'Ingnieur

THESEPrsente pour obtenir le grade de

Docteur de lUniversit Louis Pasteur Strasbourg IDiscipline: Sciences pour lIngnieur

par

Haoua AMADOU

MODELISATION DU SECHAGE SOLAIRE SOUS SERRE DES BOUES

DE STATIONS DEPURATION URBAINES

Soutenue publiquement le 04 mai 2007

Membres du jury

Directeur de thse : M. Jean-Bernard POULET, Professeur, INSA StrasbourgRapporteur interne : M. Abdellah GHENAIM, Professeur, INSA - ULP StrasbourgRapporteur externe : M. Abdelkrim HAZZAB, Professeur, Universit de Sada -AlgrieRapporteur externe : M. Abdelatif OUAHSINE, Professeur, UTC - Universit de CompigneExaminateur : M. Robert MOSE, Professeur, ENGEESExaminateur : M. Christian BECK, Matre de confrences, ENGEES

U.P.R. SHU N99026201


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REMERCIEMENTS

Cette thse a t effectue au sein du Laboratoire Systmes Hydrauliques Urbains(S.H.U) de lENGEES, en collaboration avec le laboratoire Gnie de la conception delINSAS. Elle a t soutenue financirement par lunion europenne et la rgion dAlsace.

Je tiens adresser mes plus vifs remerciements Antoine Georges Sadowski, directeurde lUPR SHU qui ma accord sa confiance ds la ralisation de mon travail de fin dtudesapprofondie et qui ma ensuite permis de poursuivre dans la voie de la recherche par laralisation dun doctorat. Son sens de lanalyse, ses suggestions pertinentes ont grandementcontribu la finalisation de ce travail.

Je remercie galement Christian Beck Matre de confrence du laboratoire pour mavoiraccompagn tout au long de ce travail par de nombreux conseils et par lexigence dunerigueur scientifique pousse. Je le remercie particulirement pour le temps quil a consacr la relecture attentive et critique du manuscrit.

Jadresse galement mes remerciements Monsieur Jean-Bernard Poulet, professeur LINSAS, pour avoir dirig cette thse.

Toute ma reconnaissance au professeur Robert Mos. Son soutien, tant moral quescientifique, ma profondment touch.

Je tiens exprimer toute ma gratitude Martin Fischer, technicien du laboratoire, pourle temps quil a consacr au montage des dispositifs exprimentaux et de sa disponibilitapprcie.

Mes remerciements vont mes rapporteurs de thse, Abdellah GHENAIM AbdelkrimHAZZAB, et Abdelatif OUAHSINE pour avoir consacr du temps lexamen de ce travail. Jesuis sensible lhonneur quils mont fait en participant mon jury de thse. Quils trouventici lexpression de ma gratitude !

Mes remerciements Jos Vasquez, pour mavoir initi Matlab. Et un grand merci auxautres permanents du laboratoire, Jean-Bernard, Nicolas, Jonathan, Gaby, Matthieu etGeorges. Une attention particulire Adrien pour son soutien inconditionnel chaque momentde doute.

Je remercie tous ceux qui mont soutenu et aid dans ce travail me permettant ainsi degarder un excellent souvenir de ces trois annes.

Enfin, merci mes proches. Par leur comprhension, leur aide et leur soutien permanent,jai pu, pendant ces trois annes, minvestir totalement dans ce travail.


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RESUME

Systme adapt pour les stations de petites et moyennes capacits de moins de

100.000 EH, le schage solaire sest rapidement impos comme une solution efficace de

dshydratation des boues permettant de rpondre aux attentes des collectivits dans le respect

des contraintes rglementaires. Toutefois les rgles de dimensionnement et de conception de

ce procdrestent dune part trs empiriques, et dautre part trop rudimentaires pour traduire

la complexit des phnomnes physiques mis en jeu. Cette thse sinscrit donc dans une

optique damlioration et doptimisation des mthodes dedimensionnement et de conception

du schage solaire des boues, en mettant laccent sur le dveloppement et lutilisation doutils

de simulation numrique.

Aprs une prsentation gnrale de la problmatique des boues rsiduaires urbaines en

France et de celle du schage solaire des boues, quelques notions essentielles ltude du

schage sont prsentes dans le chapitre II. Aprs une revue des diffrents types deau que

lon trouve dans les boues, le concept disotherme de sorption est prsent. Les modes de

transport deau pendant le schage sont ensuite rappels. La fin du chapitre se concentre sur la

modlisation de la cintique du schage.

Le dveloppement dun modle numrique simulant le transfert deau de la boue lors du

schage solaire sous serre est abord dans le chapitre III de ce travail. Une mise en quations

des diffrents phnomnes complexes est effectue. Le modle dvelopp est constitu de

trois quations de bilan dnergie et dune de transfert de matire, couples et non linaires.

Une approche de rsolution numrique du problme est galement prsente.

Lensemble des dispositifs exprimentaux et des mthodes utilises tout au long de ce

travail est dcrit dans le chapitre IV. Base principalement sur lutilisation de deux types de

modles rduits (modles I et II), placs dans une enceinte climatique, la mthode


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exprimentale fait appel un plan dexprience men en deux tapes, de manire mieux

apprhender le couplage trs complexe des diffrents transferts thermiques et massiques.

Le chapitre V est consacr la validation du modle numrique. Le premier volet de ce

chapitre expose les rsultats exprimentaux des paramtres de la boue intervenant dans la

modlisation. Des formulations semi-empiriques concernant ces grandeurs (isothermes de

dsorption et chaleur spcifique massique) ont t proposes. Dans le second volet, les

rsultats numriques sont confronts ceux des expriences. La comparaison sest avre

souvent trs satisfaisante, tant au niveau des transferts coupls de chaleur et de masse quau

niveau de lvaluation des vitessesde schage. Nanmoins, plusieurs phnomnes chappant la formulation macroscopique et mono dimensionnelle du code ont t voqus pour expliquer

certains carts entre les simulations et le comportement observ.

Le chapitre VI aborde la problmatique de lextrapolation du modle dvelopp une

installation lchelle relle. La premire tape est ainsi consacre coupler ce modle un

gnrateur de donnes qui permet de reconstituer au pas horaire une journe climatique

type . Enfin, quelques paramtres ncessaires lextrapolation sont voqus.

Le travail se termine par une conclusion rassemblant lensemble des rsultats et par

lnonc de perspectives qui pourraient constituer une suite intressante cette tude,

notamment la prise en compte des variations spatiales et ladaptation du modle dans lobjectif

du dveloppement dun outil de dimensionnement ou doptimisation de sites industriels.

Mots cls: eaux uses, boue, schage solaire, transfert thermique modlisation, schoir- serre.


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ABSTRACT

Solar drying method has quickly stood out as an effective solution for the dehydration of

the sludge produced by waste water treatment plants built for less than 100.000 pop. Eq. It

allows small communities to fill up the lawful constraints. However the design rules of this

process remain empirical and do not take in account the complexity of the involved physical

phenomena. Thus, this thesis presents an improvement and an optimization of the design using

numerical simulation tools.

After a general presentation of the problems of urban residual sludge in France and those

concerning solar drying of sludge, some essential concepts in the study of the drying are

presented in chapter II. After a review of the various types of water that can be found in

sludge, the concept of sorption isotherm is introduced. The ways of transport of water during

the drying are then pointed out. The end of the chapter focuses on the modelling of the kinetics

of drying.

The development of a numerical model, simulating the transfer of sludge water during

the solar drying under greenhouse, is described in chapter III. A setting of the equations of the

various complex phenomena is carried out. The developed model consists in writing three

equations of assessment of energy and one of transfer of matter, coupled and nonlinear. A

numerical approach of resolution of the problem is also presented.

Experimental devices and methods used throughout this work are described in chapterIV. Based mainly on the use of two types of small-scale models (model I and II), placed in a

climatic chamber, the experimental method calls upon an experimental design carried out in

two stages, so as to better apprehend the very complex coupling of the various thermal and

mass transfers.

Chapter V is devoted to the validation of the numerical model. The first part of this

chapter exposes the experimental results of the parameters of sludge involved in modelling.


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Semi-empirical formulations concerning these sizes (isothermal of desorption and mass

specific heat) were proposed. In the second part, the numerical results are compared with those

of the experiments. The comparisons are often very satisfactory, as well for the transferscoupled of heat and mass as with the evaluation speeds of drying. Nevertheless, several

phenomena escaping from the macroscopic and monodimensional formulation are mentioned

to explain some differences between simulations and the observed behaviour.

Chapter VI approaches the problems of the extrapolation of the developed model to an

installation on a real scale. The first stage is devoted to couple this model with a generator of

data, which makes it possible to reconstitute with a time step a climatic day "type". Finally,some parameters necessary to extrapolation are mentioned.

This Work ends by a conclusion collecting all the results and the statement of prospects,

which could constitute an interesting continuation with this study, in particular to take into

account the space variations, and the adaptation of the model aiming the development of a tool

of dimensioning or optimization of industrial site.

Keywords: wastewater, sludge, solar drying, thermal transfer, modelling, drier tightens.


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SOMMAIRE

INTRODUCTION ___________________________________________________________1

CHAPITRE I APPROCHE GENERALE DES PROCEDES DE SECHAGE SOLAIREDES BOUES _______________________________________________________________7

I.1 Problmatique des boues rsiduaires urbaines ___________________________9I.1.1 Origine des boues __________________________________________________9I.1.2 Composition globale des boues et production de boues dune station dpurationdeaux uses urbaines____________________________________________________12I.1.3 Contraintes rglementaires __________________________________________14

I.1.3.1 Obligations concernant le traitement des eaux uses urbaines___________15I.1.3.2 Obligations concernant la destination finale des boues ________________15

I.1.4 Diffrentes filires de traitement des boues sur site_______________________17I.1.4.1 Epaississement _______________________________________________18I.1.4.2 Stabilisation des boues _________________________________________20I.1.4.3 Conditionnement et dshydratation des boues _______________________21

I.1.5 Destination finale des boues et contraintes affrentes _____________________26I.1.5.1 Valorisation agricole __________________________________________27I.1.5.2 Valorisation nergtique________________________________________28

I.1.6 Place du schage dans une optique valorisation__________________________30I.1.6.1 Schage et pandage___________________________________________30I.1.6.2 Schage et valorisation nergtique _______________________________30

I.2 Contexte de dveloppement du schage solaire des boues _________________32I.2.1 Historique de dveloppement des procds _____________________________32I.2.2 Avantages du schage solaire________________________________________33I.2.3 Contraintes du schage solaire _______________________________________34I.2.4 Problmatique actuelle du schage solaire ______________________________34

I.3 Diffrents procds de schage solaire _________________________________35I.3.1 Gomtrie et dimensionnement des serres ______________________________36I.3.2 Alimentation de la serre ____________________________________________37I.3.3 Ventilation et dsodorisation ________________________________________38I.3.4 Retournement et fermentation des boues _______________________________38

I.3.4.1 Cochon lectrique_____________________________________________38I.3.4.2 Robot scarificateur (Degrmont) _________________________________39I.3.4.3 Procd Soliamix (Volia) ______________________________________40

I.3.5 Synthse des principales techniques du march__________________________43

I.4 Verrous actuels et besoins en terme de modlisation _____________________43

I.5 Rfrences ________________________________________________________45

CHAPITRE II NOTIONS GENERALES SUR LE SECHAGE ______________________47

II.1 Les formes deau dans les boues dpuration ___________________________49

II.2 Lactivit de leau dans un produit____________________________________49


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II.2.1 Isothermes de sorption ___________________________________________50II.2.2 Formes et modles des isothermes de sorption ________________________51II.2.3 Chaleur isostrique de dsorption___________________________________52

II.3 Diffrentes tapes du schage dun produit humide ______________________53II.3.1 Caractrisation de la boue ________________________________________53

II.3.1.1 Matires sches (Ms) __________________________________________53II.3.1.2 Calcul de la siccit (Si)_________________________________________53

II.3.2 Etablissement des courbes de schage _______________________________53II.3.3 Analyse de la cintique de schage _________________________________54

II.3.3.1 Priode de mise en temprature __________________________________54II.3.3.2 Priode vitesse ou flux constant_________________________________54II.3.3.3 Les deux priodes de ralentissement ______________________________55II.3.3.4 La classification de Sherwood ___________________________________56

II.3.4 Modlisation simplifie des phases de schage ________________________57II.3.4.1 Priode vitesse constante ______________________________________57II.3.4.2 Priode flux dcroissant_______________________________________58

II.3.5 Courbe caractristique de schage __________________________________60

II.4 Rfrences ________________________________________________________62

CHAPITRE III DEVELOPPEMENT DUN MODELE NUMERIQUE DE SECHAGESOLAIRE SOUS SERRE ____________________________________________________65

III.1 Objectifs et destination du modle dvelopp ___________________________67

III.2 Dmarche globale de modlisation ____________________________________67

III.3 Analyse physique du modle _________________________________________71III.3.1 Reprsentation des composants de la serre ___________________________71III.3.1.1 Gomtrie globale de la serre __________________________________71III.3.1.2 Reprsentation de la couverture ________________________________71III.3.1.3 Reprsentation de lair intrieur ________________________________71III.3.1.4 Reprsentation de la boue_____________________________________72III.3.1.5 Reprsentation du plancher ___________________________________72III.3.1.6 Environnement extrieur _____________________________________72

III.3.2 Ecriture des bilans thermiques et massiques __________________________73III.3.2.1 Convention de notation des flux________________________________73III.3.2.2 Bilans nergtiques__________________________________________74

III.3.2.3 Bilans massiques ___________________________________________75III.4 Expression des flux nergtiques _____________________________________76

III.4.1 Flux radiatifs solaires ____________________________________________76III.4.2 Flux radiatifs Infrarouges _________________________________________77

III.4.2.1 Flux radiatif infrarouge milieu extrieur/ couverture ________________77III.4.2.2 Flux radiatif infrarouge au sein du modle________________________78

III.4.3 Flux convectifs _________________________________________________79III.4.3.1 Echange convectif milieu extrieur / couverture ___________________80III.4.3.2 Echange convectif au sein du modle____________________________80

III.4.4 Transfert de masse ______________________________________________82III.4.5 Inertie thermique _______________________________________________82


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III.5 Paramtres de la boue intervenant dans la modlisation __________________82

III.6 Formulation et rsolution du systme dquations _______________________83

III.6.1 Formulation du systme dquations ________________________________83III.6.2 Les paramtres mis en jeu lors de la procdure de simulation du modle ___85III.6.3 Rsolution du systme dquations _________________________________88

III.7 Rfrences ________________________________________________________89

CHAPITRE IV MATERIELS ET METHODES __________________________________91

IV.1 Estimation des caractristiques des boues intervenant dans la modlisation__93IV.1.1 Origine des boues utilises ________________________________________93IV.1.2 Estimation des isothermes de sorption _______________________________94

IV.1.2.1 Principe de dtermination des isothermes ________________________94IV.1.2.2 Matriel utilis et mode opratoire______________________________95

IV.1.3 Mesure de la capacit calorifique massique ___________________________96IV.1.3.1 Principe de la mthode _______________________________________96IV.1.3.2 Matriel utilis et mode opratoire______________________________97

IV.2 Etude de du schage sur un pilote de laboratoire ________________________98IV.2.1 Prsentation du dispositif exprimental ______________________________98

IV.2.1.1 Diffrentes configurations du pilote_____________________________99IV.2.1.2 Instrumentation du pilote ____________________________________100

IV.2.2 Mthodologies dobtention des courbes de schage____________________103IV.2.2.1 Calcul de la vitesse de schage________________________________103IV.2.2.2 Mthode de dtermination de la courbe caractristique de schage __104IV.2.2.3 Dtermination de la premire phase et la teneur en eau critique ______105

IV.2.3 Plan exprimental de ltude du schage ____________________________106

IV.3 Recueil de donnes sur un site industriel ______________________________106

IV.4 Conclusion _______________________________________________________107

IV.5 Rfrences _______________________________________________________108

CHAPITRE V ANALYSE DES RESULTATS EXPERIMENTAUX ET VALIDATION DUMODELE________________________________________________________________109

V.1 Rsultats sur les paramtres de la boue intervenant dans la modlisation___112V.1.1 Isothermes de dsorption ________________________________________112V.1.2 Capacit calorifique massique ____________________________________116

V.2 Modle I : Formulation mathmatique, rsultats exprimentaux et validation 117

V.2.1 Formulation mathmatique du modle I_____________________________117V.2.1.1 Hypothses du modle ________________________________________117V.2.1.2 Equations du modle I ________________________________________117

V.2.2 Rsultats exprimentaux_________________________________________118V.2.2.1 Cintique du schage _________________________________________119V.2.2.2 Courbe caractristique du schage _______________________________120

V.2.3 Confrontation des rsultats exprimentaux et simuls __________________123V.2.3.1 volution de la teneur en eau ___________________________________125

V.2.3.2 volution de la temprature de la boue ___________________________125


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V.2.4 Validation du modle ___________________________________________126

V.3 Modle II : Rsultats exprimentaux et validation du modle_____________128

V.3.1 Rsultats exprimentaux_________________________________________128V.3.2 Lanalyse nergtique de la serre exprimentale ______________________132V.3.2.1 Estimation exprimentale du coefficient de transmission de la couverture 132V.3.2.2 Evolution type de la temprature de la couverture: vrification delhypothse de luniformit de la temprature ______________________________1341.1.1 Evolution type de la temprature de lair __________________________135V.3.2.3 Evolution type de lhumidit relative de lair_______________________137

V.3.3 Cintique du schage ___________________________________________138V.3.3.1 Evolution type de vitesse de schage _____________________________138V.3.3.2 Courbe caractristique ________________________________________140V.3.3.3 Calcul de la premire phase ____________________________________141

1.1.2 Calcul du coefficient de convection air intrieur boue ______________142V.3.4 Confrontation des rsultats exprimentaux et simuls __________________144V.3.4.1 Valeurs des paramtres physiques entrs dans le code _______________144V.3.4.2 Confrontation des rsultats au niveau de la temprature de la boue _____1453.1.1 Confrontation des rsultats au niveau de la temprature de la couverture. 147V.3.4.3 Confrontation des rsultats au niveau de la temprature de lair intrieur_148V.3.4.4 Confrontation des rsultats au niveau de la teneur en eau _____________149

V.3.5 Validation du modle ___________________________________________151

V.4 Conclusion densemble sur la partie exprimentale _____________________154

V.5 Rfrences _______________________________________________________155

CHAPITRE VI ETUDE SUR SITE REEL: CAS DE LA STATION DE BRUMATH ___157VI.1 Validation des corrlations semi-empiriques des paramtres climatiques ___159

VI.1.1 Formulation mathmatique des corrlations _________________________160VI.1.1.1 Corrlation de la temprature de lair ambiant____________________160VI.1.1.2 Corrlation de lhumidit relative de lair _______________________160VI.1.1.3 Corrlation de la vitesse moyenne du vent_______________________161VI.1.1.4 Corrlation du rayonnement solaire ____________________________162

VI.1.2 Donnes exprimentales_________________________________________163VI.1.3 Vrification des corrlations semi-empiriques________________________165

VI.1.3.1 Temprature de lair ambiant _________________________________165VI.1.3.2 Lhumidit relative de lair extrieur ___________________________166

VI.1.3.3 Rayonnement solaire _______________________________________166VI.2 Performances climatiques de la serre_________________________________167

VI.2.1 Interactions temprature de lair intrieur - extrieur___________________168VI.2.1.1 Effet radiatif ______________________________________________168VI.2.1.2 Effet convectif (ou effet dabri ) ____________________________169

VI.2.2 Interactions de lhumidit relative de lair intrieur - extrieur ___________169

VI.3 Quelques lments dextrapolation du modle une installation lchellerelle 170

VI.4 Rfrences _______________________________________________________172

CHAPITRE VII CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES __________________________173


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LISTE DES SYMBOLES ET ACRONYMES

1A , 2A , 3A coefficients caractristiques du schage (-)

ba coefficient dabsorption de la couverture (-)

ca coefficient dabsorption de la couverture (-)

wa activit de leau (-)

C concentration (kg.m-3)

B E TC

constante BET (-)

Cc capacit thermique surfacique de la couverture (J.kg-1.k-1)

CDL correction de la longitude (h)

CDT correction du temps (h)

GC constante de Guggenheim (-)

Cpb capacit thermique massique de la boue (J.kg-1.k-1)

ePC capacit thermique massique de leau (J.kg-1.k-1)

PC capacit thermique massique de lair (J.kg-1

.k-1

)

_PC anhydre capacit thermique massique de la boue (J.kg-1.k-1)

D coefficient de diffusion (m.s-1)

Delt dclinaison solaire en degr (C)

E nergie (W)

.E H quivalent habitant (-)

E Q M

erreur quadratique moyenne (-)

)( rXf vitesse de schage rduite (-)

Hr humidit relative de lair (%)

Hre humidit relative de lair extrieure (%)

Hri humidit relative de lair intrieure (%)

maxHr humidit relative de lair maximale (%)

minHr humidit relative de lair minimale (%)


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H hauteur solaire (C)

h coefficient de convection (W/ m2/K)

cih coefficient dchange convectif entre couvertureet air intrieur

(W/ m2/K)

ceh coefficient dchange convectif entre couverture

et air extrieur(W/ m2/K)

bh coefficient dchange convectif entre boue et

lair asschant(W/ m2/K)

J flux de matire (k mol.m-2s-1)

K coefficient de transfert de matire (m.s-

1

)k constante du modle GAB (-)

( )kr t coefficient de calcul de lhumidit relativedpendant de lheure et de la saison

(-)

( )kt t coefficient de calcul de la tempraturedpendant de lheure et de la saison

(-)

L longueur de la serre (m)

l largeur de la serre (m)

lat latitude (C)

LC limite de confiance (-)

Lon longitude en degr dcimaux (C)

lv chaleur latente de vaporisation deau (J/kg)

bm masse de la boue (kg)

Ms masse sche (kg)

im masse initiale (kg)me masse deau (kg)

&m vitesse dvaporation deau (Kg eau/h)

N u nombre de Nusselt (-)

P pression atmosphrique (Pa)

calP puissance calorifique (W)


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Pv pression partielle de vapeur (Pa)Pvs pression de saturation (Pa)

mcaP puissance mcanique (W)

Pr nombre de Prandt

(-)

Q

dbit dair de la serre (m3)

R renouvellement dair de la serre (m3)

Re nombre de Reynolds (-)

R g intensit du rayonnement solaire (W.m-)

S surface dchange (m2)

bS surface dchange boue- air intrieur (m2)

cS surface dchange couverture (m2)

aeT temprature de lair extrieur (C)

aiT temprature de lair intrieur (C)

maxaeT temprature de lair extrieur maximale (C)

minaeT temprature de lair extrieur minimale (C)

cT temprature de la couverture (C)

Tb temprature de la boue (C)

fT temprature du fluide (C)

hT temprature humide de lair (C)

sT temprature du solide (C)

TU temps universel (h)

vT temprature de la vote cleste (C)

t temps (h)

Ui vitesse moyenne de lair intrieur (m/s)

Uv vitesse moyenne du vent (m/s)

Uz vitesse moyenne du vent mesure la hauteur z (m/s)

V volume dair de la serre (m3)


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W angle horaire en degr (C)

X teneur en eau de la boue en base sche (kg eau /kg ms)

Xeq teneur en eau en quilibre (kg eau /kg ms)

Xcr teneur en eau critique (kg eau /kg ms)

Xi teneur en eau initiale (kg eau /kg ms)

dX

dt vitesse de schage (kg eau /kg ms)

dX

dt

1

vitesse de schage phase constante (kg eau /kg ms)

Lettres grecques

c coefficient dmissivit de la couverture (-)

b coefficient dmissivit de la couverture (-)

b coefficient de rflexion de la couverture (-)

c coefficient de transmission de la couverture (-)

constante de Stephan Boltzmann (W.m-2.K-4)

conductivit thermique de lair (W.m

-1

.K

-1

)

viscosit dynamique (Pa.s)

masse volumique (kg.m-)


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LISTE DES FIGURES

Figure I.1 Schma simplifi dun procd par boues actives ..................................................11Figure I.2 Schma des diffrents types de boues dans un procd de traitement par boues

actives ..............................................................................................................................12Figure I.3 Schma gnral des diffrentes filires du traitement des boues..............................18Figure I.4 Schma dune centrifugeuse .....................................................................................23Figure I.5 Schma dun filtre bande..........................................................................................24Figure I.6 Schma dune filire de traitement par filtre presse .................................................25Figure I.7 Schma dune filire complte de schage solaire sous serre ..................................32Figure I.8 Exemple de serre ouverte..........................................................................................36Figure I.9 Exemple de serre ferme - Extraction en pignon......................................................37Figure I.10 Exemple de serre ferme - Extraction par chemine..............................................37Figure I.11 Cochon lectrique Elektrischer Schwein ..........................................................39Figure I.12 Schma de fonctionnement du rouleau scarificateur ..............................................40Figure I.13 Rouleau scarificateur du systme IST. ...................................................................40Figure I.14 Systme de retournement du procd Soliamix......................................................41Figure II.1 Courbe de Krischer thorique..................................................................................54Figure II.2 Types de courbes de flux en fonction de la teneur en eau sur base sche rfrences

par Sherwood (1936). ........................................................................................................56Figure III.1 Elments et mcanismes prendre en compte dans un modle de scheur solaire

...........................................................................................................................................70Figure III.2 Schma des flux solaires absorbs.........................................................................76Figure IV.1 Photographie du systme DVS ..............................................................................96Figure IV.2 Photographie du calorimtre C80 ..........................................................................97Figure IV.3 Photographie de lenceinte climatique SAPRATIN..............................................99Figure IV.4 Configuration du pilote pour le modle I...............................................................99Figure IV.5 Configuration du pilote pour le modle II ...........................................................100Figure IV.6 Rpartition des capteurs sur la serre ....................................................................101Figure IV.7 Exemple de courbe de vitesse de schage bruite ...............................................104Figure V.1 Isotherme de dsorption une temprature de 30C et 50C.............................112Figure V.2 Comparaison valeurs exprimentales et celles de lajustement du modle dOswin

.......................................................................................................................................114Figure V.3 Comparaison valeurs exprimentales et celles de lajustement du modle dOswin

.......................................................................................................................................115Figure V.4 Courbes de schage reprsentant lvolution des teneurs en eau sur base sche, en

fonction du temps. ...........................................................................................................119Figure V.5 Profil des courbes de vitesse de schage...............................................................120Figure V.6 Courbe caractristique de schage ........................................................................122Figure V.7 Comparaison des valeurs simules et exprimentales essai 1 (Ta=29,7C,

Hr=44,95%, V=0,5m/s). .................................................................................................123Figure V.8 Comparaison valeurs simules et exprimentales essai2 (Ta=29,7C, Hr=58,06%,

V=0,5m/s)........................................................................................................................124Figure V.9 Comparaison des valeurs simules et exprimentales essai 3 (Ta=29,81C,

Hr=42,35%, V=1,65m/s). ................................................................................................124


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Figure V.10 Comparaison des valeurs simules et exprimentales essai 4 ( Ta=48,04C ,Hr=30,52%, V=1,65m/s)................................................................................................125

Figure V.11 Comparaison des valeurs simules et exprimentales essai 6 (Ta=29,55C,

Hr=58,24%, V=0,944m/s) ...............................................................................................127Figure V.12 Comparaison des valeurs simules et exprimentales essai 7(Ta=29,71C,

Hr=37,06%, V=1,06 m/s) ................................................................................................127Figure V.13 Courbe de lhumidit relative de lair de schage utilis mettant en vidence la

fluctuation de ce paramtre..............................................................................................130Figure V.14 Lvolution type de temprature de la boue sans rayonnement essai 2 ( Tae

=49,2C ; Hre =39,0 ; Rg= 0 W/m2) ..............................................................................131Figure V.15 Lvolution type de temprature de la boue avec rayonnement essai 10 (Tae

=49,5C ; Hre =50,0% Rg=315W/m2). .........................................................................132Figure V.16 Rpartition des sondes Pt sur la couverture ; Tc1 et Tc3 sont sur la face externe et

Tc2 et Tc4 sur la face interne de la serre.........................................................................134

Figure V.17 Evolution type de la temprature de la couverture sans rayonnement................135Figure V.18 Evolution type de la temprature de la couverture avec rayonnement ...............135Figure V.19 Evolution type de la temprature de lair intrieur rayonnement nul pour deux

essais diffrents : essai 1 (Tae= 49,7C, Hre=54,2 % Ui=1,4m/s, Rg=0 W/m2); essai 6

(Tae= 29,7C, Hre=46,4% Ui=1,8m/s, Rg=0W/m2)........................................................136

Figure V.20 Evolution type de la temprature de lair intrieur avec rayonnement pour deuxessais diffrents : essai 8(Tae= 50,5C, Hre=63,6 %, Ui=1,7m/s, Rg=728 W/m

2) ; essai14 (Tae= 10,4C, Hre=90,9 % Ui=1,7m/s, Rg=315 W/m

2). ..........................................136Figure V.21 Evolution type de la temprature de lair intrieur avec ou sans rayonnement.

Essai 3 ((Tae= 30,0C, Hre=61,3 %, Ui=1,6m/s, Rg=0W/m2)........................................138

Figure V.22 Evolution type de vitesse de schage pour un essai rayonnement nul. Essai 6

(Tae= 29,7C, Hre=46,4 %, Ui=1,8m/s, Rg= 0 W/m2). ...................................................139Figure V.23 Evolution type de vitesse de schage pour un essai avec rayonnement. Essai 10

(Tae= 49,5C, Hre=50,0 %, Ui=1,3m/s, Rg= 315 W/m2)................................................139

Figure V.24 Courbe caractristique des diffrentes conditions examines.............................141Figure V.25 Logarithmedunombre de Nusselt en fonction du logarithme Re 0,8Pr 0,33obtenu

daprs lexprience.........................................................................................................143Figure V.26 Comparaison de la relation Nu = f(Re, Pr) tablie exprimentalement avec une loi

adimensionnelle propose dans la littrature...................................................................144Figure V.27 Comparaison des tempratures simule et exprimentale de la boue pour lessai 2

(Tae=49,2C ; Hre=39% ; Ui=1,4m/s ; Rg=0 W/m2) ....................................................145Figure V.28 Comparaison des tempratures simule et exprimentale de la boue pour lessai

10 (Tae=49,5C ; Hre=50,0% ; Ui=1,3m/s ; Rg=315 W/m2)..........................................146Figure V.29 volution des tempratures simule et exprimentale de la couverture pour

lessai 2 (Tae=49,2C ; Hre=39% ; Ui=1,4m/s ; Rg=0 W/m2) ......................................147Figure V.30 volution des tempratures simule et exprimentale de la couverture pour

lessai 10(Tae=49,5C ; Hre=50,0% ; Ui=1,3m/s ; Rg=315 W/m2) .............................147Figure V.31 volution des tempratures simule et exprimentale de lair intrieur pour lessai

2(Tae=49,2C ; Hre=39% ; Ui=1,4m/s ; Rg=0 W/m2) .................................................148Figure V.32 volution des tempratures simules et exprimentales de lair intrieur pour

lessai 10 (Tae=49,5C ; Hre=50,0% ; Ui=1,3m/s ; Rg=315 W/m2) ............................149Figure V.33 volution des teneurs simules et exprimentales pour lessai 10 (Tae=49,5C ;

Hre=50,0% ; Ui=1,3m/s ; Rg=315 W/m2)......................................................................150


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Figure V.34 volution des tempratures simule et exprimentale de la couverture pourlessai 2 (Tae=49,2C ; Hre=39% ; Ui=1,42m/s ; Rg=0 W/m2) ....................................150

Figure V.35 Comparaison des valeurs simules et exprimentales de lessai 16(Tae=40,7C ;

Hre=39,2% ; Ui=1,4m/s ; Rg=0 W/m2)..........................................................................152Figure V.36 Comparaison des valeurs simules et exprimentales de lessai 15(Tae=38,8C ;

Hre=64,2% ; Ui=1,4m/s ; Rg=315 W/m2)......................................................................153Figure VI.1 Evolution de la temprature (de lair extrieur) simule et mesure...................165Figure VI.2 Evolution de lhumidit relative (de lair extrieur) simule et mesure ............166Figure VI.3 Evolution de lintensit du rayonnement solaire simule et mesure..................167Figure VI.4 Evolution des tempratures de lair extrieur et intrieur sur 2 jours..................168Figure VI.5 Evolution des humidits relatives de lair extrieur et intrieur sur 2 jours........170


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LISTE DES TABLEAUX

Tableau I.1 Production de boues dune station dpuration deau urbaine. ..............................12Tableau I.2 Evolution de la composition des boues en fonction de la ligne de traitement deau

...........................................................................................................................................13Tableau I.3 Etats physiques des boues. .....................................................................................14Tableau I.4 Importance des filires de valorisation des boues au niveau europen..................26Tableau I.5 Synthse des donnes techniques sur les principaux procds des constructeurs..42Tableau II.1 Modles disothermes les plus couramment utiliss.............................................52Tableau III.1 Rcapitulatif de la notation des flux ....................................................................74Tableau III.2 Formulation du systme dquation du modle...................................................84Tableau III.3 Rcapitulatif des paramtres dentre du modle................................................86Tableau V.1 EQM relatifs lajustement des modles disothermes de dsorption pour les

boues deux tempratures donnes.................................................................................113Tableau V.2 Paramtres du modle dOswin et EQM pour chaque ajustement .....................114Tableau V.3 Plan exprimental modle I. ...............................................................................118Tableau V.4 Paramtres 1 , 2A , 3A avec la limite de confiance de chaque paramtre.............122Tableau V.5 Plan exprimental modle II...............................................................................129Tableau V.6 Valeurs de coefficients de transmission suivant diffrentes conditions opratoires

.........................................................................................................................................133Tableau V.7 Paramtres 1A , 2 , 3A avec la limite de confiance de chaque paramtre............141Tableau VI.1 Coefficients et pour le calcul de la vitesse moyenne du vent.....................161Tableau VI.2 Relevs exprimentaux des donnes climatiques (intrieur et extrieur) dune

serre de la station dpuration de Brumath......................................................................164Tableau VI.3 Valeurs des paramtres a et b du modle et leur EQM relatif lajustement ...167


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INTRODUCTION


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Modlisation du schage solaire des boues rsiduaires urbaines :INTRODUCTION

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Le dveloppement des activits humaines saccompagne invitablement duneconsommation deau croissante qui se traduit par des rejets deaux uses croissants, avec pour

consquence une diminution conjointe de la quantit et de la qualit des eaux douces

terrestres. Les ressources en eau ne sont pas inpuisables et leur dgradation, sous leffet des

rejets deaux pollues, peut non seulement dtriorer gravement lenvironnement, mais aussi

entraner des risques de pnurie. De ce fait lassainissement des eaux uses est devenu un

impratif pour nos socits modernes.

Les premiers rseaux dgouts structurs sont apparus vers 1850, essentiellement dans

un but dassainissement des villes. Quant aux stations dpuration modernes, elles se sont

dveloppes en Europe au dbut du 20me sicle (Edeline, 1993). Si lhomme voulait

continuer jouir de son environnement, il tait en effet ncessaire de rduire la charge

polluante des eaux uses, tant domestiques quindustrielles.

Qui dit puration des eaux, dit galement production de boues. Pourtant, dans un

premier temps, lobjectif de ces stations a t essentiellement de garantir le rejet dune eau de

qualit dfinie en se proccupant peu des boues engendres par les procds dpuration. La

tendance actuelle est diffrente car les boues, au mme titre que leau pure, sont considres

comme un lment qui contribue limpact environnemental dune station dpuration.

Au-del du cadre rglementaire franais dfini par larrt du 21 juin 1996 complt par

la circulaire N97-31 du 17 fvrier 1997, cest la directive du Conseil du 21 mai 1991 qui fixe

les objectifs en terme de traitement des eaux uses au niveau europen. Les volutions

rglementaires rcentes, comme la directive-cadre sur leau (2000/60/CE), transcrite en droit

franais en 2004 (loi n2004-338), ou la nouvelle loi sur leau (loi n2006-1772), finalement

adopte en dcembre 2006, ne remettent pas en cause ces orientations. Suite lapplication de

ces contraintes rglementaires, les quantits de boues sont amenes crotre de maniredrastique dans les prochaines annes.

La conception des filires de traitement des boues est fortement lie la destination

finale de celles-ci (pandage agricole, compostage, mise en dcharge, incinration, etc.). Dans

tous les cas les boues extraites de la filire eau des stations de traitement contiennent

principalement de leau (plus de 97%) et ncessitent donc dabord dtre concentres puis


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dshydrates. Le taux de dshydratation ncessaire et donc la conception et le cot inhrent

dpendent de la siccit finale requise pour la filire de valorisation des boues.

Dans le mme temps, les filires dlimination samenuisent notamment suite larduction, planifie par lUnion Europenne, des quantits de dchets biodgradables mis en

dcharge (Conseil de l'Union Europenne, 1999). Ds lors, la gestion des boues produites va

devenir une question cruciale court terme.

Face linflation sur les exigences en terme de siccits, qui conduit au dveloppement

de filires de plus en plus pointues et coteuses, les concepteurs de stations tentent de

dvelopper de nouveaux procds de traitement de boue, efficaces et moins coteux en

nergie. Ce problme se pose dautant plus pour les petites collectivits, pour lesquelles des

procds rustiques et conomiques en fonctionnement sont particulirement adapts.

Dans ce contexte et devant les incertitudes qui psent sur les autres filires de

traitement, le schage solaire sous serre se positionne comme une alternative pour les petites et

moyennes stations allant de quelques milliers plus de 100.000 EH.

Technique emprunte aux industriels craliers, le schage solaire des boues seffectue

par vaporation naturelle de leau contenue dans les boues, en utilisant comme source

dnergie le rayonnement solaire. Les boues provenant de la filire eau doivent au pralable

tre dshydrate par des procds classiques (filtre bande, centrifugeuse, filtre presse, etc.)

de manire obtenir une structure suffisante avant dtre introduites dans les serres de

schage. Les procds existants se distinguent ensuite essentiellement les uns des autres en

fonction du mode de retournement et de dplacement des boues sous les serres. La siccit

finale obtenue dpend ensuite, pour une installation donne, du temps de sjour des boues

dans le dispositif et des conditions climatiques extrieures.

A ltat actuel les rgles de dimensionnement et de conception de ce procdrestentdune part trs empiriques, et dautre part trop rudimentaires pour traduire la complexit des

phnomnes physiques mis en jeu. Par ailleurs, les caractristiques spcifiques des boues

rsiduaires sont peu prises en compte dans les approches dimensionnelles actuelles, ce qui

peut partiellement sexpliquer par la difficult les dterminer.

Lun des points cls matriser dans une optique de dimensionnement est la prvision

de vitesses de schage en fonction la fois de la configuration de linstallation et des

conditions climatiques locales. Pour un site donn, il existe bien entendu galement des


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- 5 -

variations climatiques densoleillement, temprature et humidit de lair, ceci diffrentes

chelles de temps (alternance jour-nuit, variations saisonnires ou annuelles, ).

Le processus de schage solaire sous serre prsente donc un comportementminemment dynamique, avec des variations continuelles des vitesses dvaporation de leau

des boues dans le temps.

Il apparat donc ncessaire de dvelopper une meilleure connaissance de loutil serre-

boue et par ailleurs de mettre au point des outils daide au dimensionnement et la conduite

de cette famille de procds, en intgrant laspect dynamique de leur fonctionnement. En effet,

si en premire approche il est possible de se contenter destimer des vitesses moyennes

dvaporation pour valuer des dimensions douvrages sur un site donn (ceci en utilisant

ventuellement des mthodes empiriques), une approche plus fine ne pourra tre atteinte

quavec des outils de simulation numrique.

Cette thse sinscrit donc dans une optique damlioration et doptimisation des

mthodes de dimensionnement et de conception du schage solaire des boues, en mettant

laccent sur le dveloppement et lutilisation doutils de simulation numrique.

Les objectifs de cette tude sont de trois ordres :

dgager les processus mis en jeu, et analyser via une approche thermodynamique les

lments et conditions clefs intervenant au cours du schage solaire des boues,

accrotre les connaissances en matire de dimensionnement et de gestion des dispositifs

de schage solaire sous serre,

dvelopper un modle de simulation numrique permettant de prvoir des vitesses et

des temps de schage en fonction de la configuration des installations, de leur mode de gestion

et des conditions climatiques locales, avec dans la mesure du possible une validation sur des

sites industriels.

Notre dmarche scientifique sarticule autour dune modlisation rigoureuse intgrant

dune part lensemble des processus physiques qui rgissent les changes thermiques entre la

couverture de la serre, lair intrieur et la boue, et dautre part les caractristiques de la boue

(chaleur spcifique, isotherme de dsorption).


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- 6 -

La premire partie du travail sera consacre une synthse bibliographique sur les

filires de traitement et de valorisation des boues. Il sera ici fait cas du schage solaire des

boues, de ses spcificits, des contraintes quil impose, des attentes des professionnels et desbesoins de connaissance au niveau de la recherche.

La seconde partie envisage le dveloppement dun modle numrique par la mise en

place dun systme dquations dcrivant les diffrents mcanismes nergtiques des serres.

La validation du modle passant par une approche exprimentale, au laboratoire puis

sur le terrain. La prsentation du dispositif exprimental, de lappareillage de mesure et de la

mthodologie adopte seront abords dans une troisime partie.

Dans une quatrime partie, les donnes collectes par loutil exprimental seront

confrontes avec les rsultats simuls pour valider ses prdictions.

La problmatique de lextrapolation du modle dvelopp une installation lchelle

relle sera finalement aborde, avec lexpos de perspectives de dveloppement et

damliorations ultrieures du modle propos.


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CHAPITRE I

APPROCHE GENERALE DES PROCEDES DE

SECHAGE SOLAIRE DES BOUES


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Modlisation du schage solaire des boues rsiduaires urbaines :APPROCHEGENERALEDESPROCEDESDESECHAGESOLAIREDESBOUES

- 9 - CHAPITRE I

La France possde en 2002 un parc de stations qui voisine les 160000 units.

L ensemble de ces installations fournit annuellement plus de 880 000 tonnes de matires

sche de boues. Chaque station possde une filire de traitement des eaux uses associe une

filire de traitement des boues. Cest pourquoi dans la premire partie de ce chapitre nous

verrons, en suivant les diffrentes tapes du traitement de leau use dans une station

dpuration, comment la matire en suspension est concentre jusqu former une boue, et le

contexte lgislatif qui rgit ces boues. Ces nouvelles lgislations sur le traitement des eaux

uses et sur les filires dlimination vont conduire lmergence de solutions techniquesnouvelles et vont imposer de sorienter dans un futur proche vers une logique de valorisation.

Dans ce contexte, le schage solaire sous serre se positionne comme une tape

intermdiaire dans la filire du traitement de la boue avant une valorisation nergtique ou

agricole ou comme un traitement ultime. Les avantages du schage solaire par rapport la

problmatique des boues ainsi que les contraintes techniques et pratiques lies aux attentes des

diffrents acteurs de ce secteur seront prsents dans la deuxime partie de ce chapitre. Une

revue bibliographique des procds utiliss pour le schage solaire des boues urbaines en

France nous conduira a mettre en vidence les besoins actuels de la technologie.

I.1 Problmatique des boues rsiduaires urbaines

I.1.1 Origine des boues

Les boues sont composes dlments recueillis diffrents stades de lpuration dune

eau use: matires minrales en suspension, matires organiques non biodgradables et

microorganismes, ces derniers rsultant de lpuration biologique. Parmi les boues, on

distingue les boues urbaines et les boues industrielles. Les premires sont produites dans les

stations dpuration traitant des effluents dits urbains, cest--dire majoritairement des eaux

uses dorigine domestique. Les secondes sont issues du traitement deaux uses industrielles.

Selon lorigine urbaine ou industrielle de la boue et les traitements physico-chimiques,

quelle a subi, ses caractristiques et donc son comportement seront diffrents. Dans ce travail,

nous nous proccupons uniquement deboues urbaines.


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- 10 - CHAPITRE I

Les caractristiques des boues rsiduaires dpendent alors fortement du procd de

traitement biologique des eaux uses qui est utilis. Les traitements biologiques reposent sur

lutilisation des micro-organismes naturellement prsents dans les eaux que lon concentredans les bassins dpuration par floculation ou par fixation sur des supports inertes.

Diverses techniques sont possibles :

le lagunage naturel ou ar, qui peut accepter des eaux brutes mais ncessite des temps

de sjour longs;

les lits bactriens ruissellement et les disques biologiques;

des racteurs milieu support granulaire fin fixe ou mobile ;

les boues actives qui comportent un bassin daration et un clarificateur et peuventsuivant les dispositions prises accepter des charges massiques plus ou moins fortes.

Les boues tudies dans le prsent travail sont issues dun procd de traitement par

boues actives. Dans le procd par boues actives, la dgradation est assure par voie

biologique arobie laide de populations bactriennes maintenues dans le systme puratoire

sous forme flocule. Ce principe naturel de floculation permet de sparer leau traite de la

biomasse par simple dcantation et de recycler une partie de la masse active vers le racteur

biologique pour maintenir une activit biologique optimale.

Les systmes par boues actives ont une action puratoire sur la plupart des polluants

(soluble et particulaire), mais le degr defficacit dpend du dimensionnement choisi. La

principale difficult est souvent de matriser par une exploitation soigne la phase de

clarification finale et la recirculation de la biomasse active de faon viter la boue de

rencontrer des conditions nfastes (anarobiose), qui affecteraient son activit et ses proprits

de dcantation.

Un procd boues actives classique comprend:

un bassin daration dans lequel leau purer est mise en contact avec la biomasse;

un dispositif de brassage et daration;

un dcanteur (secondaire) dans lequel seffectue la clarification des eaux et

lpaississement de la biomasse;

un dispositif de recyclage qui permet de soutirer les boues en excs au bas du dcanteur et

den renvoyer une partie vers le bassin daration. Les boues en excs sont envoyes vers

un paississeur.


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- 11 - CHAPITRE I

Figure I.1 Schma simpli fi dun procd par boues actives

Le processus complet de traitement se dcompose donc gnralement en plusieurs

tapes, chacune dentre elles gnrant des boues de qualits diffrentes. On distingue ainsi

notamment les traitements : primaire, secondaire et tertiaire

Le traitement primaire se limite des oprations de sparation liquide-solide comme la

dcantation gravitaire et la flottation. Les boues primaires soutires en pied de dcanteur sont

composes la fois de matires minrales et organiques. Dans certains cas, un traitement de

coagulation-floculation est effectu pour amliorer la dcantation. On parle alors de boues

primaires physico-chimiques.

Le traitement secondaire est essentiellement biologique et a pour but la dgradation des

matires organiques biodgradables, de lazote et du phosphore. Lassimilation de cesmatires organiques par une flore de microorganismes produit des composs gazeux dune

part et de la biomasse dautre part (croissance cellulaire). La biomasse produite en excs, la

boue secondaire, doit tre retire du systme afin dassurer la continuit de lpuration. Ces

boues sont trs organiques (plus de 70% en MVS) et contiennent essentiellement des

microorganismes et leurs scrtions.

Le traitement tertiaire a pour but daffiner lpuration selon les qualits exiges pour

leau rejete. Les traitements tertiaires les plus courants sont la dphosphatation et la

dsinfection. Dans le cas de la dphosphatation tertiaire, il sagit dun traitement physico-

chimique qui produit des boues dites tertiaires.

Il est devenu habituel de parler de boues mixtes en rfrence au mlange des boues

primaires et secondaires qui est effectu avant le traitement des boues proprement dit.

La Figure I.2 reprsente schmatiquement les diffrents types de boues rencontres dans

une station dpuration avec le procd boues actives.


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- 12 - CHAPITRE I

Dcanteur

rimaireClarificateur

Traitemen

tertiaire

Boues

tertiaires

Bouesbiologiques

en excs

Boues

primaires

Traitementbiologique

Figure I.2 Schma des di ffrents types de boues dans un procd de traitement par boues

actives

I.1.2 Composition globale des boues et production de boues dune

station dpuration deaux uses urbaines

Toute filire de traitement biologique produit un mlange de boues primaires, de boues

biologiques, soit en phase spare (dcantation primaire + biologique) soit conjugues

(aration prolonge).

Globalement, la production de boues dune station dpuration deau urbaine peut tre

estime comme suit :

Tableau I.1 Production de boues dune station dpuration deau urbaine.

Type de boue MES en g/eq ha/jour % MES boue paissie l/eq ha/jour boue paissie

Primaire frache 45-60 8-12 0,4-0,75

Primaire digre 30-40 7-11 0,3-0,55

Mixte frache 75-90 4-6 1,2-2,2

Mixte digre 50-60 2,5-4,5 1,1-2,4

Les boues primaires comportent pour lessentiel des matires minrales, cellulose, fibres

et autres constituants bien structurs. Leur traitement ultrieur est facile. Les boues

biologiques sont trs organiques et collodales, donc fortement hydrophiles et difficilement

dshydratables. Cependant, elles comportent la majeure partie de lazote et du phosphore

(Cornice, 1992).


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- 13 - CHAPITRE I

Tableau I.2 Evolution de la composition des boues en fonct ion de la ligne de traitement deau

Composants % /MS Dcantation

primaire

Biologique

Cm> 0,1

Aration

prolonge

Lagunage Chimique

Matires organiques 55-65 70-85 60-75 45-60 35-55

N total 25-3 4-6 4-5 2-3 1,5-2

P 1-1,5 2,5-3 2-2,5 1,5-2,5 1,5-3

K 0,2-0,3 0,2-0,3 0,2-0,3 0,2-0,3 0,1-0,2

Carbone 33-40 38-50 33-40 25-35 20-30

Calcium 5-15 5-15 5-15 5-15 5-30

Magnsium 0,4-0,8 0,4-0,8 0,4-0,8 0,4-0,8 1,7-4,5

Fer 1-3 1-3 1-3 1-3 3-15

Al 0,1-0,3 0,1-0,3 0,1-0,3 0,1-0,3 0,1-15

Pouvoir fermentescible + + + + + - (+ +) (-)

Contaminationbactriologique

+ + + + + + (+ +) (-)

Production de boues + + - - + +

Concentration des boues ensortie de traitement deau

30-90 g/l 5-10 g/l 6-8 g/l 60-120 g/l enmoyenne

stratification

20-60 g/l

Lextraction plus ou moins pousse de leau conduit des tats physiques allant du

liquide au solide.

La notion de siccit nest pas toujours reprsentative de laspect physique du sdiment

dshydrat. La rversibilit est toujours possible : thixotropie du sdiment.


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- 14 - CHAPITRE I

Tableau I.3 Etats physiques des boues.

Siccit Etat

jusqu 8-9 % liquide

12-16 % pteux pelletable

16-25 % pteux gerbable

25-35 % solide avec retrait

> 35 % solide sans retrait

Il est trs difficile de faire une liste exhaustive de la composition dune boue. Outre leauqui est son constituant principal, elle est essentiellement compose :

pour la matire organique : de graisses, de protines, de fibres et dune grande varit de

micro-organismes, Guibelin, (1999) ; Legrand, (1997). La boue biologique contient un

grand nombre dagents pathognes ;

pour la matire minrale : essentiellement de CaCO3, deAl2O3et deP2O5[23], mais aussi

de toutes sortes de mtaux lourds sous formes de traces, Wiart and Reveillere, (1995).

Dune station lautre, les proportions varient et certains composs apparaissent en

fonction des donnes locales (industries raccordes au rseau). La boue est donc dfinie plus

comme le rsultat de lpuration, que par sa composition. Cette composition nest pas

homogne et constitue un danger sanitaire potentiel pour lenvironnement. Depuis la loi du 15

juillet 1975, relative aux dchets, la boue est assimilable un dchet.

I.1.3 Contraintes rglementaires

La France suit dans sa politique environnementale les directives de lUnionEuropenne. Ainsi les directives du Conseil sont transcrites en droit franais. Les

rglementations deviennent de plus en plus exigeantes et prcises quant au devenir des boues.

Cest pourquoi on prvoit, sous peu, un changement dans la donne des filires dvacuation.


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- 15 - CHAPITRE I

I.1.3.1 Obligations concernant le traitement des eaux uses urbaines

La directive europenne 91/271/CEE du 21 mai 1991 relative au traitement des eaux

urbaines rsiduaires (JOCE NL.135/40 du 30 mai 1991) prvoit:

lquipement des villes de 15000 EH avant le 31/12/2000 ;

lquipement des villes comprises entre 2000 et 15000 EH avant le 31/12/2005 ;

lamlioration des capacits puratoires ;

le dveloppement de lassainissement des eaux de pluies en milieu urbain ;

la mise en place de procdes de dphosphatation et de traitement de lazote.

Cest cette directive qui est lorigine de laugmentation prvue du tonnage de boues.

Mme si lapplication a pris du retard, lobjectif de collecter 80% de la pollution urbaine et

datteindre un taux de collecte au niveau national de 65% semble tre ralisable (OTV, 1997).

Cette mme source prvoit la construction de 9000 stations dpurations, dont 80% pour des

villes de moins de 2000 EH.

I.1.3.2 Obligations concernant la destination finale des boues

La filire agricole

Lambigut entre produit de fertilisation et dchet a t leve par le dcret N 97-1133

du 8 dcembre 1997. Ce dcret classe dfinitivement la boue comme un dchet, selon la loi du

15 juillet 1975. Le producteur de boues est lexploitant des units de traitement : il doit fournir

lassurance de linnocuit des produits pandus et mettre en place une gestion professionnelle

de la filire de recyclage agricole. Ce dcret a t suivi par dautres textes rglementaires:

Larrt du 8 janvier 1998, sur lpandage des boues de stations dpuration qui prcise

les prescriptions techniques applicables ;

La circulaire du 16 mars 1999, relative lpandage des boues de stations dpuration

urbaines fixe la responsabilit entire de lexploitant de la station dpuration.

Ces textes fixent de manires prcises, et beaucoup plus svrement quauparavant, les

conditions dpandage et les teneurs minimums dun grand nombre de polluants, tant

organiques que mtalliques. Enfin la directive nitrate du 12 dcembre 1991, fixe les

contraintes en matire de dose et de priodes dpandage.


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- 16 - CHAPITRE I

La mise en dcharge

Le stockage des dchets fait lobjet de rglementations spcifiques, notamment :

la directive du Conseil du 26 avril 1999 (1999/31/CE) concernant la mise en dcharge des

dchets ;

larrt du 9 septembre 1997 relatif aux dcharges existantes et aux nouvelles installations

de stockage de dchets mnagers et assimils, modifi par larrt du 31 dcembre 2001 et

larrt du 3 avril 2002 ;

La circulaire du 4 juillet 2002 relative aux installations de stockage de dchets mnagers

et assimils.

Actuellement, en France, il existe trois types de dcharges:

Site de classe 1: rserve aux Dchets Industriels Spciaux susceptibles de contenir des

lments toxiques. Ces sites doivent tre impermables ;

Site de classe 2: rserve aux dchets urbains (ordures mnagres) et aux dchets

industriels assimilables aux dchets urbains ;

Site de classe 3: rserve aux matriaux inertes de type gravats.

Pour linstant, les boues sont diriges sous certaines conditions de ratio avec les

ordures mnagres vers les sites de classe 2. Le problme de la mise en dcharge de boues

pteuses est la lixiviation. Cest pourquoi la loi 92-646 du 13 juillet 1992 prvoit, partir du 2

juillet 2002, que les sites de classe 2 nacceptent plus que les dchets dits ultimes. Est dit

dchet ultime, un dchet rsultant ou non du traitement dun dchet, qui nest pas susceptible

dtre trait dans les conditions techniques et conomiques du moment, notamment par

extraction de la part valorisable ou par rduction de son caractre polluant ou dangereux.

Linterprtation de ce texte pour les boues pose problme. En effet, sagira til dune

siccit limite, de la combustion totale de la matire organique? La directive 91-628 du 12

dcembre 1991 relative aux dchets dangereux, prcise que les boues ne pouvant tre

pandues sont des dchets dangereux. Il est prvu que les sites de classe 1 nacceptent plus les

boues classes comme dchets dangereux par cette directive.


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- 17 - CHAPITRE I

Lincinration

La rglementation sur lincinration nest pas spcifique au domaine des boues. Il

sagit dinstallations classes et donc soumises autorisation prfectorale. Larrt ministriel

du 25 janvier 1991 incite les installations squiper pour respecter les valeurs limites fixes

par la directive CEE/89/369 du 8 juin 1989. Il est difficile de juger de limpact qua lapport

de la boue sur le bilan des incinrateurs, ou mme, du respect des normes lors de lincinration

spcifique.

Le schage

Les units de schage devront, ds juillet 2003, respecter la norme ATEX 137

99/92/EG ( cette norme concerne la mise en place sur le march des appareils et systmes de

protection destins aux atmosphres explosives). En outre, chaque installation devra faire

lobjet dtudes de scurit HAZOP (Hazard and Operability) et avoir t valide par un

organisme agre par lINERIS.

I.1.4 Diffrentes filires de traitement des boues sur site

Les objectifs principaux dune filire boue sont la rduction des volumes et des

nuisances de la filire finale de valorisation. En effet, telles quelles ont t vacues de lafilire eau, les boues sont constitues 90% deau, ce qui engendre des volumes de stockage

consquents. De plus, elles sont trs fermentescibles donc dgagent rapidement des odeurs

dsagrables.

Les diffrentes tapes du traitement des boues ont pour but la rduction de la teneur en

eau par paississement, la rduction du pouvoir fermentescible par une phase de stabilisation

et enfin une phase de dshydratation plus ou moins pousses avant stockage et valorisation.

La Figure I.3 ci-dessus reprsente le schma gnral des diffrentes filires de traitement

des boues.


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- 18 - CHAPITRE I

B O U E SPR I MAI R ES

B O U E SMI XT ES

B O U E SD ' AER AT I O NP R O L O N G E E

B O U E S D E SS Y S T E M E SEXT EN SI F S

C O N C EN T R AT I O N

ST ABI L I SAT I O N

C O N C EN T R AT I O N

C O N D I T I O N N EMEN T

D ESH YD R AT AT I O N

C O M P O S T A G E S T O C K A G E

C O MMER C I AL I SAT I O N R EPR I SE - EPAN D AG E

MI SE EN D EC H AR G EC O N T R O L E E C O M P O S T A G EINCINERATION

VAL O R I SAT I O NA G R IC O L E

VAL O R I SAT I O NA G R IC O L E

Figure I.3 Schma gnral des diffrentes fil ires du traitement des boues

I.1.4.1 Epaississement

Si nous observons les modes dextraction des boues des diffrents ouvrages de

traitement deau nous pouvons constater que : la concentration des extractions des diffrents ouvrages de traitement deau fonctionnant

en marche continue ou cyclique est faible et dpasse rarement 10 g/l (4 10 g/l en eau

rsiduaire urbaine) ;

les ouvrages fonctionnant en chasse priodique donnent des boues plus concentres maisllimination globale des MES entrane systmatiquement une dilution surabondante des

fins de purges ;

Diffrents moyens sont mis en oeuvre pour lpaississement des boues. Ces moyens sontde deux ordres :

o paississement par dcantation ou paississement statique;

o paississement dynamique : flottation, gouttage, centrifugation.

Epaississement par dcantation ou paississement statique

Lpaississement se fait par dcantation en piston des boues. La dcantation est aide par une

herse mouvement lent qui, en faisant rouler les particules de boues les unes sur les autres,

favorise lcoulement de leau interstitielle et lvacuation des gaz occlus. Le tassement des

boues est donc ainsi favoris.


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- 19 - CHAPITRE I

Epaississement par flottation

Le principe consiste rduire la masse volumique apparente de la phase solide par adsorption

ou absorption de bulles gazeuses pour en provoquer lentranement vers la surface avec unevitesse ascensionnelle qui, en modle laminaire, sera donne par la loi de Stokes.

Epaississement par gouttage

Diffrents dispositifs peuvent tre utiliss (tambours, poches filtrantes, grilles dgouttage),

mais la grille dgouttage est lappareil qui allie la fois simplicit demploi et fiabilit. Cet

appareil fonctionnement continu est plac directement au refoulement de la pompe

dalimentation en boues fraches. La boue, pralablement flocule au polymre de synthse,

est pandue sur un champ horizontal de grille fine racle en permanence par des lames encaoutchouc.

La concentration des boues augmente progressivement en avanant sur le champ de

grille, le rglage est optimal lorsque la boue ne contient plus deau libre en fin de parcours. Le

dbit de la pompe boue, de linjection du polymre ainsi que la vitesse de raclage sont

rglables. Le lavage de la grille est ralis de faon cyclique au moyen de pulvrisation deau

sous pression.

Lapport dagent de floculation seffectue travers un mlangeur statique plac en avalde la pompe boues. La consommation de polymre est relativement leve (5 8 kg/tonne de

MES) mais cette dpense demeure faible sur de petites stations, surtout eu gard aux

avantages que prsente cet paississement :

soutirage direct de boues en excs peu concentres depuis la recirculation en boues

urbaines;

rduction de 2 3 fois du volume de stockage des boues avant leur reprise en

agriculture;

rduction dans les mmes proportions du cot de transport des boues.

Epaississement par centrifugation

Lpaississement par centrifugation prsente les inconvnients dtre lourds en investissement

et en cot dexploitation (consommation dnergie 150 300 kWh/tonne de MES. Par contre,

il a lavantage de noccasionner que peu de nuisances olfactives (car lappareil est ferm) et


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- 20 - CHAPITRE I

dtre trs compact. Lpaississement obtenu est plus important que par flottation. Par ailleurs,

sous peine davoir des rendements de capture et des dbits alimentaires possibles faibles,

lemploi dun polymre (1 2 kg/t MES) est indispensable. Nous risquons aussi en cas defonctionnement sans polymre davoir une classification des boues avec dpart de fines. La

centrifugation consiste en une dcantation acclre par force centrifuge.

I.1.4.2 Stabilisation des boues

Les boues de stations, en grande proportion caractre organique, sont instables dans la

mesure o des fermentations sy dveloppent, qui sont lorigine dune mauvaise qualit des

eaux et de nuisances olfactives. La stabilisation vise donc rduire le taux de matires

organiques de manire empcher ou tout du moins limiter les fermentations.

La stabilisation, qui nest pas effectue de manire systmatique, a pour but dviter une

reprise de la fermentation des boues qui entranerait des nuisances olfactives. Dans le mme

temps, le taux dagents pathognes est rduit dans des proportions qui varient selon le type de

traitement. On distingue les stabilisations biologique, chimique et thermique. La stabilisation

biologique peut tre atteinte par mthanisation (digestion anarobie msophile), et stabilisation

arobie thermophile. Le traitement chimique peut seffectuer par un chaulage ou une

stabilisation aux nitrites. Le schage (siccit suprieure 90%) quant lui constitue une formede stabilisation thermique (Apesa, 2000).

La stabilisation par digestion anarobie

La stabilisation par voie anarobie, appele digestion anarobie, est une fermentation

bactrienne ralise dans une cuve appele digesteur. Les bactries dgradent la matire

organique en dioxyde de carbone et en mthane. Cette technique sapplique aux boues

paissies et a pour objectif la rduction de la masse de boue en dgradant une partie des MV

(et donc des MS).

La digestion agit de la manire suivante sur les caractristiques des boues :

disparition de 1/3 environ des MES boueuses (45 50 % des matires organiquesdisparaissent), do la production dune boue non putride et moins organique;

minralisation de lazote organique : eau interstitielle riche en NH4+(1 2 g/l);

boue plus homogne (disparition de corps fibreux) et plus dilue.


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- 21 - CHAPITRE I

La stabilisation arobie thermophile

Cest une transformation de la matire organique par oxydation en milieu arobie avec

dgagement de chaleur et production de CO2. Pour tre optimale, la raction doit se drouler

une temprature comprise entre 50 et 55C.

Les applications actuelles de ce procd visent deux objectifs diffrents :

raliser un prtraitement (pasteurisation et chauffage) avant une digestion anarobie(temps de sjour de 18 36 heures). Ceci se rencontre essentiellement en Suisse et en

Allemagne ;

oprer en 6 10 jours un traitement de stabilisation des boues avant leur vacuation. Cetteapplication nest pour lheure que peu rpandue.

La stabilisation chimique

Cette technique de stabilisation des boues comporte une opration consistant ajouter

des ractifs chimiques qui permettent de diminuer le pouvoir fermentescible de la boue. Cet

apport ne modifie pas la quantit de matires biodgradables mais agit essentiellement par

action bactricide. Parmi les nombreux produits susceptibles dinhiber le dveloppement

bactrien, la chaux est celui qui simpose conomiquement (Baudez, 2001). Les boues, ayant

subies une stabilisation chimique, sont assez favorables en dshydratation, mais souvent

difficiles floculer cause des pH levs (plus de 12).

I.1.4.3 Conditionnement et dshydratation des boues

Lpaississement naturel des boues est limit par des phnomnes physiques. Des forces

lectriques de rpulsion entre les particules de boues empchent leur rapprochement et en

consquence ne permettent pas lvacuation dune part importante de leau interstitielle. Pour

rendre exploitables les diffrents quipements de traitement des boues, il est donc ncessaire

de procder la floculation de celles-ci pour en casser la stabilit collodale et pour augmenter

artificiellement la taille des particules. Cest le conditionnement qui a recours des procds

de nature physique (thermique), mais plus souvent de nature chimique (ajout de ractifs

minraux ou de polymres de synthse). Un conditionnement adquat de la boue est la base du

bon fonctionnement de latelier de traitement des boues.

Conditionnement par ajout de ractifs minraux

Cest le conditionnement adapt la dshydratation sur filtres presses, appareils mettant

en oeuvre une filtration travers un gteau en formation avec un support filtrant mailles


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- 22 - CHAPITRE I

fines (100 200 m). Ce conditionnement ncessite lemploi de ractifs minraux conduisant

la formation de flocs fins, mais mcaniquement stables.

Pour des raisons dconomie et defficacit, on emploie le plus souvent des sels de fer.Sur des boues organiques, lion Fe3+est de loin le plus efficace. Laction de ces sels de fer est

double :

action coagulante (leur charge est souvent oppose celle des particules boueuses);

action floculante (formation dhydroxydes complexes hydrats tels que (Fe(OH)3, 6H2O)nqui joue le rle dun polymre minral).

Une introduction de chaux conscutive celle du sel de Fe est toujours ncessaire pour

amliorer la filtrabilit : pH > 10, pH de floculation correcte;

prcipitation dun certain nombre de sels de Ca favorables la filtration;

apport dune charge minrale dense.

Conditionnement aux polylectrolytes

Cest le conditionnement adapt la dshydratation sur filtres bandes presseuses,

centrifugeuses, parfois en flottation, paississement par gouttage et, sous certaines conditions,

sur filtres presses .

Les polylectrolytes ont pour effet :

une floculation trs marque par la formation de ponts entre particules grce auxlongues chanes ramifies. Cette floculation est renforce par une action coagulante dans

le cas de polymres cationiques;

une forte diminution de la rsistance spcifique de la boue flocule avec uneaugmentation de lhydrophilie particulaire et du coefficient de compressibilit.

Un grand nombre de polylectrolytes est disposition. Il faut donc effectuer des testssimples de floculation pour dterminer le produit le mieux adapt la boue traiter. Les

polymres cationiques sont surtout efficaces pour le conditionnement des boues organiques,

les anioniques pour les boues deau potable.

Conditionnement thermique

Il consiste chauffer les boues entre 150 et 200 C pendant 30 60 minutes selon le type de

boues et la filtrabilit dsire. Au cours de cette "cuisson", les gels collodaux sont dtruits et

lhydrophilie particulaire diminue. On assiste galement 2 phnomnes simultans :


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- 23 - CHAPITRE I

solubilisation de certaines MES (hydrolyse de lamidon avec formation de sucres) etammonisation de lazote organique;

prcipitation de quelques matires dissoutes. Selon le type de boues, la cuissonsolubilise 20 40 % des MO et conduit des jus prsentant des DBO 5 de 3000

6000 mg/l. Lazote est prsent dans la phase liquide des taux relativement levs (0,5

1,5 g/l en NH4+), mais le phosphore ainsi que les mtaux restent prcipits dans les boues.

Il existe principalement deux grandes familles de techniques de dshydratation

(Bongiovanni, 1998) la dcantation (centrifugation) et la filtration (filtres bande presseuse ou

filtre presse). Le choix de lune ou de lautre de ces techniques dpend du type de boue

dshydrater, des performances recherches, de la disponibilit et de la technicit de la main

duvre, mais aussi du type dquipement utilis en paississement pralable. On peut

galement citer la dshydratation sur lits de schage en marge de ces deux grandes familles.

I.1.4.3.1 Dshydratation par centrifugation

La centrifugation sera utilise sur des boues flocules aux polymres de synthse. Cest

une technique de sparation de leau de la boue sous leffet dune acclration de plusieurs

milliers de gramme. Les centrifugeuses sont constitues dun bol tournant grande vitesse et

dune vis racleuse hlicodale coaxiale au bol qui permet lextraction des boues dshydrates

en continu (Figure I.4) . Lalimentation peut tre centrale ou tangentielle. La circulation de la

suspension et de la boue dshydrate peut seffectuer co- ou contre courant. Dautres

variables de type constructif (gomtrie du bol, rapport longueur /diamtre, angle de

conicit,) peuvent galement distinguer les diffrentes machines commercialises. On

obtient ainsi une siccit de lordre de 19 - 23 % (boues biologiques).

Figure I.4 Schma dune centrifugeuse


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- 24 - CHAPITRE I

I.1.4.3.2 Filtration

La filtration peut tre mene sous vide ou sous pression. Dans le premier cas, les filtres

sont des tambours rotatifs ouverts. Dans le second cas, la filtration peut tre mene dans un

filtre bandes ou un filtre plateaux.

Filtre bandes presseuses

Le processus de filtration comporte toujours les tapes suivantes:

floculation avec des polylectrolytes dans des floculateurs faible temps de sjour ;

drainage de la boue flocule ;

pressage de la boue draine: la boue est emprisonne entre deux toiles filtrantes qui

forment un coin et la comprime progressivement. Lefficacit de la dshydratation dpend

de la pression effective applique sur la boue et aussi du temps de pressage. On obtient

une siccit de lordre de 14 18 % (boues biologiques).

Figure I.5 Schma dun filtre bande

Filtre presse

Le filtre presse est un appareil qui permet de filtrer des boues en chambre tanche sous

des pressions de lordre de 5 15 bars. Le filtre presse reoit les boues envoyes sous

pression sur une srie de toiles filtrantes retenant les sdiments la manire dun tamis. Il se

cre peu peu un bouchon augmentant la pression en amont du filtre ; ce moment les toiles

sont spares et les rsidus limins. On obtient une siccit de lordre de 25- 28% pour un

conditionnement polymre. Pour des boues chaules, selon le dosage de la chaux, on peut

atteindre des siccits de lordre de 30 35%.


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- 25 - CHAPITRE I

Figure I.6 Schma dune fil ire de traitement par fil tre presse

doctorat _ mod+®lisation du s+®chage solaire des boues r+®siduaires urbaines_amadou_haoua_2007

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